JP2013162078A - Nitride semiconductor device including hetero junction and manufacturing method of the same - Google Patents

Nitride semiconductor device including hetero junction and manufacturing method of the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor device which has improved voltage with standing and reduced leakage current.SOLUTION: A nitride semiconductor device comprises an AlGaN layer (3) and an AlGaN layer (0≤x<y≤1) (4) which are sequentially stacked on a buffer layer (2); and further local GaN layer parts (5) formed on the AlGaN layer (4) so as to individually cover a plurality of penetration dislocations (PD) occurring on an upper surface of the AlGaN layer (4).

Description

本発明は、ヘテロ接合を含む窒化物半導体デバイスとその製造方法の改善に関する。   The present invention relates to an improvement in a nitride semiconductor device including a heterojunction and a manufacturing method thereof.

Si系やGaAs系の半導体に比べて、GaNやAlGaNなどの窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界と優れた耐熱性を有するとともに、電子の飽和ドリフト速度が速いという利点をも有するので、高温動作や大電力動作などにおいて優れた特性を有する電子デバイスを提供し得ると期待されている。   Compared to Si-based and GaAs-based semiconductors, nitride semiconductors such as GaN and AlGaN have the advantages of a high dielectric breakdown electric field, excellent heat resistance, and high electron saturation drift speed, so they operate at high temperatures. It is expected that an electronic device having excellent characteristics in high power operation and the like can be provided.

このような窒化物半導体を利用して作製される電子デバイスの一例であるHFET(ヘテロ接合電界効果トランジスタ)においては、窒化物半導体積層構造に含まれるヘテロ接合に起因する2次元電子ガス層を形成して、ソース電極とドレイン電極の間において窒化物半導体層に対してショットキー接合を有するゲート電極で電流を制御することがよく知られている。   In an HFET (heterojunction field effect transistor) which is an example of an electronic device manufactured using such a nitride semiconductor, a two-dimensional electron gas layer resulting from a heterojunction included in the nitride semiconductor multilayer structure is formed. It is well known that the current is controlled by the gate electrode having a Schottky junction with respect to the nitride semiconductor layer between the source electrode and the drain electrode.

図14は、従来のHFETの典型的な一例を模式的断面図で示している。このHFETにおいては、基板1上にバッファ層2、AlGa1−xN層3、およびAlGa1−yN層4(0≦x<y≦1)が順次積層されている。AlGa1−yN層4上にはショットキー接合を生じるゲート電極Gが形成されている。このゲート電極Gの両側では、AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4とのヘテロ界面HIへ電気的に接続されたソース電極Sとドレイン電極Dとがゲート電極Gから隔てられて形成されている。 FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a typical example of a conventional HFET. In this HFET, a buffer layer 2, an Al x Ga 1-x N layer 3, and an Al y Ga 1-y N layer 4 (0 ≦ x <y ≦ 1) are sequentially stacked on a substrate 1. A gate electrode G that forms a Schottky junction is formed on the Al y Ga 1-y N layer 4. On both sides of the gate electrode G, a source electrode S and a drain electrode D that are electrically connected to the heterointerface HI between the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4 are gate electrodes. It is formed apart from G.

AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4との間のヘテロ界面HIでは、2層間の分極特性差や格子歪みに起因して2次元電子ガス(2DEG)が生成される。そして、AlGa1−xN層3は電子走行層として機能し、AlGa1−yN層4は電子供給層として作用する。 At the hetero interface HI between the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4, a two-dimensional electron gas (2DEG) is generated due to the polarization characteristic difference between the two layers and lattice distortion. Is done. The Al x Ga 1-x N layer 3 functions as an electron transit layer, and the Al y Ga 1-y N layer 4 functions as an electron supply layer.

図14に示されているようなHFETにおいては、ソース電極Sとドレイン電極Dとの間でヘテロ界面HIにおける2DEGをチャネル層とするソース・ドレイン電流をゲート電極Gによって制御する場合に、ゲート電極Gによる制御と関係しないリーク電流がバッファ層2を介して流れる問題がある。このようにバッファ層を流れるリーク電流の問題は、例えば特許文献1の特開2007−251144号公報においても説明されている。   In the HFET as shown in FIG. 14, when the source / drain current having the channel layer of 2DEG at the heterointerface HI between the source electrode S and the drain electrode D is controlled by the gate electrode G, the gate electrode There is a problem that a leakage current unrelated to control by G flows through the buffer layer 2. The problem of leakage current flowing through the buffer layer as described above is also described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-251144.

特開2007−251144号公報JP 2007-251144 A

図14に示されているようなHFETにおいては、基板1上のバッファ層2、AlGa1−xN層3、およびAlGa1−yN層4は一般に周知のMOCVD(有機金属気相堆積)またはMBE(分子線エピタキシ)によって積層され得るが、このときに各層の成長に伴って、バッファ層2からAlGa1−yN層4の上面まで伸びる貫通転位PDが含まれる。図14において、そのような貫通転位の例が破線PDで示されている。この図ではソース電極Dとゲート電極Gとの間およびゲート電極Gとドレイン電極Dとの間の各々において1本ずつの貫通転位PDが示されているが、実際には複数の貫通転位PDが含まれている。 In the HFET as shown in FIG. 14, the buffer layer 2, the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4 on the substrate 1 are generally formed by well-known MOCVD (organometallic gas). In this case, threading dislocations PD extending from the buffer layer 2 to the upper surface of the Al y Ga 1-y N layer 4 are included as each layer grows. In FIG. 14, an example of such threading dislocation is indicated by a broken line PD. In this figure, one threading dislocation PD is shown between each of the source electrode D and the gate electrode G and between the gate electrode G and the drain electrode D. include.

2DEG領域に転位が存在する場合、電子がそれらの転位にトラップされる傾向にある。したがって、HFETに高電界が印加される場合に、電子が転位に集中してHFETが破壊されることがある。また、電子は転位線に沿って移動しやすくて転位がリークパスになり得るので、貫通転位PDやバッファ層2を介するリーク電流が生じやすい。   When dislocations are present in the 2DEG region, electrons tend to be trapped in those dislocations. Therefore, when a high electric field is applied to the HFET, electrons may concentrate on dislocations and the HFET may be destroyed. Further, since electrons easily move along the dislocation lines and the dislocations can become a leak path, a leak current is likely to occur through the threading dislocation PD and the buffer layer 2.

上述のような貫通転位PDによる好ましくない作用によって、HFETの耐電圧が低下するとともにリーク電流が増大するという問題がある。   Due to the undesired action of threading dislocation PD as described above, there is a problem that the withstand voltage of the HFET is lowered and the leakage current is increased.

本発明は、このような問題に鑑みて、耐電圧が高められかつリーク電流が低減された窒化物半導体デバイスを提供することを主要な目的としている。   In view of such a problem, the main object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device having a high withstand voltage and a reduced leakage current.

本発明の1つの態様による窒化物半導体デバイスは、バッファ層上に順次積層されたAlGa1−xN層とAlGa1−yN層(0≦x<y≦1)とを含み、このAlGa1−yN層内の上表面に現れている複数の貫通転位を覆うようにそのAlGa1−yN層上に形成された複数の局所的GaN層部分をさらに含むことを特徴としている。 A nitride semiconductor device according to one aspect of the present invention includes an Al x Ga 1-x N layer and an Al y Ga 1-y N layer (0 ≦ x <y ≦ 1) sequentially stacked on a buffer layer. further comprising the Al y Ga 1-y N that Al y Ga 1-y N plurality of local GaN layer portion formed on layer so as to cover a plurality of threading dislocations on appearing on the surface of the layer It is characterized by that.

局所的GaN層部分の上面は、酸化されていることが好ましい。窒化物半導体デバイスは、AlGa1−xN層とAlGa1−yN層とのヘテロ界面へ電気的に接続されたソース電極とドレイン電極をさらに含み、これらのソース電極とドレイン電極との間のゲート領域内に形成されたゲート電極をも含み得る。ゲート電極はAlGa1−yN層に接して形成されていてもよいし、付加的なGaN層を介してAlGa1−yN層上に形成されていてもよい。ゲート電極は、ソース電極へ電気的に接続されていてもよい。 The upper surface of the local GaN layer portion is preferably oxidized. The nitride semiconductor device further includes a source electrode and a drain electrode that are electrically connected to a heterointerface between the Al x Ga 1-x N layer and the Al y Ga 1-y N layer, the source electrode and the drain electrode And a gate electrode formed in the gate region between. The gate electrode may be formed in contact with the Al y Ga 1-y N layer may be formed on the Al y Ga 1-y N layer through an additional GaN layer. The gate electrode may be electrically connected to the source electrode.

本発明のもう1つの態様による窒化物半導体デバイスの製造方法は、バッファ層上にAlGa1−xN層とAlGa1−yN層(0≦x<y≦1)およびGaN層を順次堆積し、このAlGa1−yN層内から延びる複数の貫通転位がGaN層の上表面に現れている複数の局所的領域を選択的に酸化することによって複数の局所的酸化膜を形成し、これら複数の局所的酸化膜でマスクされていない領域においてGaN層を選択的にエッチングで除去することを含むことを特徴としている。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nitride semiconductor device comprising an Al x Ga 1-x N layer, an Al y Ga 1-y N layer (0 ≦ x <y ≦ 1) and a GaN layer on a buffer layer Are sequentially deposited, and a plurality of threading dislocations extending from within the Al y Ga 1-y N layer are selectively oxidized to a plurality of local regions in which a plurality of local regions appear on the upper surface of the GaN layer. And selectively removing the GaN layer by etching in a region not masked by the plurality of local oxide films.

局所的領域の選択的酸化は、過酸化水素水もしくは過酸化水素水を含む溶液中で行なうか、または自然酸化、熱酸化もしくは酸素プラズマを利用して行ない得る。GaN層の選択的エッチングは、塩素系ガスまたはフッ素系ガスと酸素ガスとを含む混合ガスを用いた反応性イオンエッチングで行ない得る。   The selective oxidation of the local region may be performed in a hydrogen peroxide solution or a solution containing hydrogen peroxide solution, or may be performed using natural oxidation, thermal oxidation, or oxygen plasma. The selective etching of the GaN layer can be performed by reactive ion etching using a chlorine-based gas or a mixed gas containing a fluorine-based gas and an oxygen gas.

以上のような本発明によれば、耐電圧が高められかつリーク電流が低減された窒化物半導体デバイスを提供することができる。   According to the present invention as described above, a nitride semiconductor device having a high withstand voltage and a reduced leakage current can be provided.

本発明の一実施形態によるHFETの作製過程を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the preparation process of HFET by one Embodiment of this invention. 図1に続く作製過程を示す模式的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process following FIG. 1. 図2に続く作製過程を示す模式的断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 2. 図3に続く作製過程を示す模式的断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 3. (A)はGaN層表面に黒点として現れている貫通転位を示すAFM(原子間力顕微鏡)写真であり、(B)は(A)に示されているような転位領域を選択酸化した後のRIE(反応性イオンエッチング)後に残されて白く現れている酸化領域を示すAFM写真である。(A) is an AFM (Atomic Force Microscope) photograph showing threading dislocations appearing as black spots on the surface of the GaN layer, and (B) is after selectively oxidizing a dislocation region as shown in (A). It is an AFM photograph which shows the oxidation area | region which remains after RIE (reactive ion etching) and appears white. (A)はGaN層表面に黒点として現れている貫通転位を示すAFM写真であり、(B)は(A)に示されているような転位領域を選択酸化することなくRIEした後の表面を示すAFM写真である。(A) is an AFM photograph showing threading dislocations appearing as black spots on the surface of the GaN layer, and (B) is the surface after RIE without selective oxidation of the dislocation regions as shown in (A). It is an AFM photograph shown. AlGa1−xN層とAlGa1−yN層(0≦x<y≦1)とのヘテロ界面に2DEGが生じる状況を示す模式的なエネルギバンド図である。Is a schematic energy band diagram showing a situation where the 2DEG is generated in the hetero-interface Al x Ga 1-x N layer and the Al y Ga 1-y N layer and (0 ≦ x <y ≦ 1 ). 図7中のAlGa1−yN層上にGaN層が積層された場合のエネルギ構造を示す模式的なエネルギバンド図である。FIG. 8 is a schematic energy band diagram showing an energy structure when a GaN layer is stacked on an Al y Ga 1-y N layer in FIG. 7. 貫通転位PDの近傍において局所的GaN層の効果によって2DEGが排除されている状況を模式的に示す想像図である。It is an imaginary figure showing typically the situation where 2DEG is excluded by the effect of a local GaN layer in the vicinity of threading dislocation PD. 本発明の他の実施形態によるHFETの作製過程を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the preparation process of HFET by other embodiment of this invention. 図10に続く作製過程を示す模式的断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process following FIG. 10. 図11に続く作製過程を示す模式的断面図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process following FIG. 11. 図12に続く作製過程を示す模式的断面図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process following FIG. 12. 従来のHFETの典型的な一例を模式的断面図である。It is typical sectional drawing of a typical example of the conventional HFET.

図1から図4は、本発明の一実施形態によるノーマリオン型HFETの作製過程を模式的な断面図で示している。   1 to 4 are schematic cross-sectional views showing a process of manufacturing a normally-on HFET according to an embodiment of the present invention.

図1においては、基板1上に、バッファ層2、AlGa1−xN層3、AlGa1−yN層(0≦x<y≦1)4、およびGaN層5が、MOCVDまたはMBEなどによって順次堆積される。このとき、窒化物半導体積層体2〜5内には、貫通転位(破線で表示)PDが不可避的に導入される。図1においては代表的に2本の貫通転位のみが示されているが、実際にはより多くの貫通転位が導入される。 In FIG. 1, the buffer layer 2, the Al x Ga 1-x N layer 3, the Al y Ga 1-y N layer (0 ≦ x <y ≦ 1) 4 and the GaN layer 5 are formed on the substrate 1 by MOCVD. Or it deposits sequentially by MBE. At this time, threading dislocations (indicated by broken lines) PD are inevitably introduced into the nitride semiconductor stacked bodies 2 to 5. Although only two threading dislocations are typically shown in FIG. 1, more threading dislocations are actually introduced.

基板1としては、Si、サファイア、SiC、またはAlNを用いることができる。バッファ層2としては、例えば基板がSiである場合に、AlN層またはAlN層とGaN層との超格子層などを用いることができる。AlGa1−xN層3、AlGa1−yN層4およびGaN層5の厚さは、それぞれ例えば1000nm、20nmおよび50nmに設定することができる。AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4は0≦x<y≦1の関係にあり、すなわちAlGa1−yN層4はAlGa1−xN層3に比べて大きなAl組成比を有している。具体的な一例としては、x=0.05およびy=0.22に設定することができる。 As the substrate 1, Si, sapphire, SiC, or AlN can be used. As the buffer layer 2, for example, when the substrate is Si, an AlN layer or a superlattice layer of an AlN layer and a GaN layer can be used. The thicknesses of the Al x Ga 1-x N layer 3, the Al y Ga 1-y N layer 4 and the GaN layer 5 can be set to, for example, 1000 nm, 20 nm and 50 nm, respectively. The Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4 have a relationship of 0 ≦ x <y ≦ 1, that is, the Al y Ga 1-y N layer 4 is an Al x Ga 1-x N layer. Compared with the layer 3, it has a large Al composition ratio. As a specific example, x = 0.05 and y = 0.22 can be set.

図2においては、GaN層5の表面に現れている貫通転位PDの近傍のみを選択的に酸化することによって、局所的酸化膜6が形成される。このような選択的酸化は、過酸化水素水またはこれを含む溶液にGaN層を浸すことによって行なうことができる。なお、自然酸化、熱酸化、酸素プラズマ照射などによっても、選択的酸化することが可能である。このように、選択的酸化が可能となる理由は、結晶性GaN層の酸化が困難であるのに対して、貫通転位PDの近傍は結晶構造が不完全であって酸化が容易となるためであると考えられる。選択的酸化の後には、局所的酸化膜6でマスクされていない領域において、GaN層5が選択的RIEによって除去される。このような選択的RIEは、塩素系ガスまたはフッ素系ガスと酸素ガスとを含む混合ガスを用いたプラズマエッチングとして行なうことができる。このような混合ガスを用いたRIEでは、酸化物層または容易に酸化する物質の層のエッチング速度が極端に遅くなる。したがって、GaN層5上の酸化膜6やGaN層5下のAlGa1−yN層4(Alが酸化し易い)は、GaN層5に比べてエッチング速度が1/30程度に遅く(すなわち、選択比率30倍)、実質的にはほとんどエッチングされない。 In FIG. 2, the local oxide film 6 is formed by selectively oxidizing only the vicinity of the threading dislocation PD appearing on the surface of the GaN layer 5. Such selective oxidation can be performed by immersing the GaN layer in a hydrogen peroxide solution or a solution containing the hydrogen peroxide solution. Note that selective oxidation can also be performed by natural oxidation, thermal oxidation, oxygen plasma irradiation, or the like. Thus, the selective oxidation is possible because the crystalline GaN layer is difficult to oxidize while the crystal structure in the vicinity of the threading dislocation PD is incomplete and the oxidation is easy. It is believed that there is. After the selective oxidation, the GaN layer 5 is removed by selective RIE in a region not masked by the local oxide film 6. Such selective RIE can be performed as plasma etching using a chlorine-based gas or a mixed gas containing a fluorine-based gas and an oxygen gas. In RIE using such a mixed gas, the etching rate of an oxide layer or a layer of a material that easily oxidizes becomes extremely slow. Therefore, the etching rate of the oxide film 6 on the GaN layer 5 and the Al y Ga 1-y N layer 4 (Al is easy to oxidize) under the GaN layer 5 is about 1/30 slower than the GaN layer 5 ( That is, the selection ratio is 30 times), and substantially no etching is performed.

図5は、図2に示されているようなGaN層の選択的酸化と選択的RIEが実施可能なことを立証するAFM写真である。図5の下部の線分は、500nmのスケールを表している。図5(A)のAFM写真は基板上に直接堆積されたGaN層の選択的酸化前の表面状態を示しており、その表面に現れた貫通転位が黒点として観察される。なお、このAFM写真中で白点として観察されるのは、表面における汚染物である。このGaN層の上面は、過酸化水素水に10分間浸すことによって選択的酸化された。その後、30sccmのClガスと3sccmのOガスを含む混合ガスを用いて、5Paのガス圧と100WのRF(高周波)パワーの条件下で選択的RIEが行なわれた。このように選択的RIE処理された後の表面状態が、図5(B)のAFM写真において示されている。このAFM写真において、白点として観察されるのは、RIE後においても残されている局所的酸化膜である。すなわち、GaN層の表面に現れた貫通転位の上方近傍に形成された局所的酸化膜下のGaN層も残されている。 FIG. 5 is an AFM photograph demonstrating that selective oxidation and selective RIE of the GaN layer as shown in FIG. 2 can be performed. The lower line segment in FIG. 5 represents a scale of 500 nm. The AFM photograph of FIG. 5 (A) shows the surface state of the GaN layer directly deposited on the substrate before selective oxidation, and threading dislocations appearing on the surface are observed as black spots. In this AFM photograph, the white spots are observed as contaminants on the surface. The upper surface of the GaN layer was selectively oxidized by immersing in hydrogen peroxide water for 10 minutes. Thereafter, selective RIE was performed using a mixed gas containing 30 sccm of Cl 2 gas and 3 sccm of O 2 gas under conditions of a gas pressure of 5 Pa and RF (radio frequency) power of 100 W. The surface state after such a selective RIE treatment is shown in the AFM photograph of FIG. In this AFM photograph, what is observed as a white spot is a local oxide film remaining even after RIE. That is, the GaN layer under the local oxide film formed near the upper part of the threading dislocation appearing on the surface of the GaN layer is also left.

図6は図5に類似したAFM写真を示しているが、図6においては選択的酸化処理が行なわれていない。すなわち、図6(A)は図5(A)と同様に選択的酸化前のGaN層の表面を示しているが、図6(B)は選択的酸化処理することなくRIE処理された後の表面状態を示している。図6(B)に見られるように、表面が選択的酸化処理されなかったGaN層はRIEによって均一に除去されていることが分かる。   FIG. 6 shows an AFM photograph similar to FIG. 5, but no selective oxidation treatment is performed in FIG. That is, FIG. 6 (A) shows the surface of the GaN layer before selective oxidation as in FIG. 5 (A), but FIG. 6 (B) shows the state after RIE treatment without selective oxidation treatment. The surface state is shown. As seen in FIG. 6B, it can be seen that the GaN layer whose surface was not selectively oxidized was uniformly removed by RIE.

再度図2を参照して、局所的酸化膜6でマスクされずにGaN層5がRIEで除去された領域では、前述のように、AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4との間のヘテロ界面HIにおいて、2層間の分極特性差や格子歪みに起因して2DEGが生成される。しかし、局所的酸化膜6下でGaN層5が残存している領域の下方(すなわち、貫通転位PDが存在する領域)では、2DEGが生成しないか、または2DEGの生成が抑制される。これは、AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4との間の分極特性差を緩和するようにGaN層5が作用するからである。 Referring again to FIG. 2, in the region where the GaN layer 5 is removed by RIE without being masked by the local oxide film 6, as described above, the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1− 2DEG is generated at the heterointerface HI with the yN layer 4 due to the polarization characteristic difference between the two layers and lattice distortion. However, 2DEG is not generated or the generation of 2DEG is suppressed below the region where the GaN layer 5 remains under the local oxide film 6 (that is, the region where threading dislocation PD exists). This is because the GaN layer 5 acts so as to relieve the polarization characteristic difference between the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4.

図7と図8は、それぞれGaN層が存在しない場合と存在する場合におけるシミュレーション結果によるエネルギバンド図を示している。すなわち、図7と図8の各グラフにおいて、横軸は窒化物半導体積層構造の厚さ方向の距離を表し、縦軸は電子エネルギレベルを表している。また、符号Evは価電子帯の上限を表し、Efはフェルミレベルを表し、そしてEcは伝導帯の下限を表している。なお、これらの図におけるシミュレーションでは、AlGa1−xN層3、AlGa1−yN層4およびGaN層5の厚さは、それぞれ1000nm、10nmおよび50nmに設定され、またx=0.05およびy=0.22に設定されている。 FIGS. 7 and 8 show energy band diagrams based on simulation results in the case where the GaN layer is not present and in the case where it is present. That is, in each graph of FIG. 7 and FIG. 8, the horizontal axis represents the distance in the thickness direction of the nitride semiconductor multilayer structure, and the vertical axis represents the electron energy level. The symbol Ev represents the upper limit of the valence band, Ef represents the Fermi level, and Ec represents the lower limit of the conduction band. In the simulations in these drawings, the thicknesses of the Al x Ga 1-x N layer 3, the Al y Ga 1-y N layer 4 and the GaN layer 5 are set to 1000 nm, 10 nm and 50 nm, respectively, and x = 0.05 and y = 0.22 are set.

図7のシミュレーション結果に示されているように、AlGa1−yN層4上にGaN層5が存在しない場合、AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4とのヘテロ接合HI近傍において伝導帯の下限Ecの一部がフェルミレベルEf以下になり、そこにおいて2DEGが生じ得る。他方、図8に示されているように、AlGa1−yN層4上にGaN層5が存在する場合、AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4とのヘテロ接合HI近傍において伝導帯がフェルミレベルEfより上にあり、そこにおいて2DEGが生じることはない。 As shown in the simulation results of FIG. 7, when the GaN layer 5 does not exist on the Al y Ga 1-y N layer 4, the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4 near the heterojunction HI, a part of the lower limit Ec of the conduction band becomes equal to or lower than the Fermi level Ef, where 2DEG may occur. On the other hand, as shown in FIG. 8, when the GaN layer 5 exists on the Al y Ga 1-y N layer 4, the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4 are present. In the vicinity of the heterojunction HI, the conduction band is above the Fermi level Ef, where 2DEG does not occur.

図9は、図2に示されているような貫通転位PDの近傍において2DEGが排除されている状況を模式的に示す想像平面図である。すなわち、AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4とのヘテロ接合HIにおいて、AlGa1−yN層4上にGaN層5が存在していない領域では2DEGが生じているが、GaN層5が局所的に存在している領域の下方にある貫通転位PDの近傍では2DEGが生成されていない。 FIG. 9 is an imaginary plan view schematically showing a situation in which 2DEG is excluded in the vicinity of the threading dislocation PD as shown in FIG. That is, in the heterojunction HI between the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4, 2DEG is used in a region where the GaN layer 5 does not exist on the Al y Ga 1-y N layer 4. However, 2DEG is not generated in the vicinity of the threading dislocation PD below the region where the GaN layer 5 is locally present.

図2に続く図3の作製過程では、RIEによってGaN層5が除去されて露出したAlGa1−yN層4上にゲート電極Gが形成される。AlGa1−yN層4に対してショットキー障壁を有するゲート電極Gの材料としては、例えばTiNまたはWNなどを用いることができる。 In the manufacturing process of FIG. 3 subsequent to FIG. 2, the gate electrode G is formed on the Al y Ga 1-y N layer 4 exposed by removing the GaN layer 5 by RIE. As a material of the gate electrode G having a Schottky barrier with respect to the Al y Ga 1-y N layer 4, for example, TiN or WN can be used.

図3に続く図4の作製過程では、ゲート電極Gの両側において、AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4とのヘテロ界面HIへ電気的に接続されたソース電極Sとドレイン電極Dとがゲート電極Gから隔てられて形成される。ヘテロ界面HIにおける2DEGに対してオーミックに接合し得るソース電極Sおよびドレイン電極Dの材料としては、Ti/Al合金またはHfAlMoAu合金などが好ましく用いられ得る。 In the manufacturing process of FIG. 4 following FIG. 3, the source electrically connected to the heterointerface HI between the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4 on both sides of the gate electrode G. An electrode S and a drain electrode D are formed separately from the gate electrode G. As a material of the source electrode S and the drain electrode D that can be ohmic-bonded to 2DEG at the hetero interface HI, a Ti / Al alloy, an HfAlMoAu alloy, or the like can be preferably used.

以上のようにして、貫通転位PDの近傍から2DEGが排除されることによって改善された耐電圧を有しかつリーク電流が低減されたノーマリオン型HFETが完成する。なお、HFETにおける周知の電流コラスプ現象を抑制するために、AlGa1−yN層4の表面が例えば厚さ20nmの窒化ケイ素膜で覆われてもよい。また、ゲート電極近傍における電界集中を緩和してHFETの耐電圧を高めるために、周知のフィールドプレート電極が付与されてもよい。さらに、図4のHFETのゲート電極Gとソース電極Sを電気的に導通させることによって、ダイオードに改変することもできる。 As described above, a normally-on type HFET with improved withstand voltage and reduced leakage current is completed by eliminating 2DEG from the vicinity of threading dislocation PD. In order to suppress a known current collapse phenomenon in the HFET, the surface of the Al y Ga 1-y N layer 4 may be covered with a silicon nitride film having a thickness of 20 nm, for example. A well-known field plate electrode may be provided in order to alleviate electric field concentration near the gate electrode and increase the withstand voltage of the HFET. Furthermore, the HFET of FIG. 4 can be modified into a diode by electrically connecting the gate electrode G and the source electrode S.

図10から図13は、本発明の他の実施形態によるノーマリオフ型HFETの作製過程を模式的な断面図で示している。   10 to 13 are schematic cross-sectional views showing a process of manufacturing a normally-off HFET according to another embodiment of the present invention.

図10においても、図1の場合と同様に、基板1上に、バッファ層2、AlGa1−xN層3、AlGa1−yN層4、およびGaN層5が順次堆積される。AlGa1−xN層3、AlGa1−yN層4およびGaN層5の厚さは、それぞれ例えば1000nm、10nmおよび50nmに設定され得る。 Also in FIG. 10, as in the case of FIG. 1, a buffer layer 2, an Al x Ga 1-x N layer 3, an Al y Ga 1-y N layer 4, and a GaN layer 5 are sequentially deposited on the substrate 1. The The thicknesses of the Al x Ga 1-x N layer 3, the Al y Ga 1-y N layer 4, and the GaN layer 5 can be set to, for example, 1000 nm, 10 nm, and 50 nm, respectively.

図11においては、GaN層5上にゲート電極Gが形成される。このゲート電極Gは、例えば厚さ70nmのTiN層として形成され得る。   In FIG. 11, the gate electrode G is formed on the GaN layer 5. The gate electrode G can be formed as a TiN layer having a thickness of 70 nm, for example.

図12では、図2の場合と同様に、GaN層5の表面に現れている貫通転位PDの近傍のみを選択的に酸化することによって、局所的酸化膜6が形成される。その後、局所的酸化膜6またはTiNのゲート電極Gによってマスクされていない領域において、GaN層5が選択的RIEによって除去される。このとき、TiNのゲート電極Gの厚さは、70nmから50nm程度まで低減する。局所的酸化膜6またはTiNのゲート電極GによってマスクされずにGaN層5がRIEで除去された領域では、AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4との間のヘテロ界面HIにおいて2DEGが生成される。しかし、局所的酸化膜6またはTiNのゲート電極Gの下でGaN層5が残存している領域の下方(すなわち、貫通転位PDが存在する領域とゲート電極Gの下方領域)では、2DEGが生成しないか、または2DEGの生成が抑制される。 In FIG. 12, as in the case of FIG. 2, the local oxide film 6 is formed by selectively oxidizing only the vicinity of the threading dislocation PD appearing on the surface of the GaN layer 5. Thereafter, the GaN layer 5 is removed by selective RIE in a region not masked by the local oxide film 6 or the gate electrode G of TiN. At this time, the thickness of the gate electrode G of TiN is reduced from about 70 nm to about 50 nm. In the region in which the GaN layer 5 is removed by RIE without being masked by the local oxide film 6 or the TiN gate electrode G, the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4 are interposed. 2DEG is generated at the heterointerface HI. However, 2DEG is generated below the region where the GaN layer 5 remains under the local oxide film 6 or the TiN gate electrode G (that is, the region where the threading dislocation PD exists and the region below the gate electrode G). Or generation of 2DEG is suppressed.

図13では、図4の場合と同様に、ゲート電極Gの両側において、AlGa1−xN層3とAlGa1−yN層4とのヘテロ界面HIへ電気的に接続されたソース電極Sとドレイン電極Dとがゲート電極Gから隔てられて形成される。 In FIG. 13, as in the case of FIG. 4, the both sides of the gate electrode G are electrically connected to the hetero interface HI between the Al x Ga 1-x N layer 3 and the Al y Ga 1-y N layer 4. A source electrode S and a drain electrode D are formed separately from the gate electrode G.

以上のようにして、貫通転位PDの近傍から2DEGが排除されることによって改善された耐電圧を有しかつリーク電流が低減されたノーマリオフ型HFETが完成する。すなわち、図13のHFETは、ゲート電極Gに電圧が印加されていないときにそのゲート電極の下方に2DEGが存在しなくてオフ状態であるノーマリオフ型となっている。なお、図13のHFETにおいても、周知の電流コラスプ現象を抑制するために、AlGa1−yN層4の表面が窒化ケイ素膜で覆われてもよい。また、また、周知のフィールドプレート電極が付与されてもよい。さらに、図13のHFETのゲート電極Gとソース電極Sを電気的に導通させることによって、ダイオードに改変することもできる。 As described above, a normally-off HFET having improved withstand voltage and reduced leakage current is completed by eliminating 2DEG from the vicinity of threading dislocation PD. That is, the HFET of FIG. 13 is a normally-off type in which when no voltage is applied to the gate electrode G, 2DEG does not exist below the gate electrode and is off. In the HFET of FIG. 13 as well, the surface of the Al y Ga 1-y N layer 4 may be covered with a silicon nitride film in order to suppress a known current collapse phenomenon. Moreover, a well-known field plate electrode may be provided. Furthermore, it can also be modified to a diode by electrically connecting the gate electrode G and the source electrode S of the HFET of FIG.

上述のように、本発明によれば、耐電圧が高められかつリーク電流が低減された窒化物半導体デバイスを提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor device having a high withstand voltage and a reduced leakage current.

1 基板、2 バッファ層、3 AlGa1−xN層、4 AlGa1−yN層(0≦x<y≦1)、5 GaN層、HI ヘテロ界面、2DEG 2次元電子ガス、S ソース電極、D ドレイン電極、G ゲート電極、PD 貫通転位。 1 substrate, 2 buffer layer, 3 Al x Ga 1-x N layer, 4 Al y Ga 1-y N layer (0 ≦ x <y ≦ 1), 5 GaN layer, HI heterointerface, 2DEG two-dimensional electron gas, S source electrode, D drain electrode, G gate electrode, PD threading dislocation.

Claims (9)

バッファ層上に順次積層されたAlGa1−xN層とAlGa1−yN層(0≦x<y≦1)とを含み、
前記AlGa1−yN層の上表面に現れている複数の貫通転位を個々に覆うように前記AlGa1−yN層上に形成された複数の局所的GaN層部分をさらに含むことを特徴とする窒化物半導体デバイス。
An Al x Ga 1-x N layer and an Al y Ga 1-y N layer (0 ≦ x <y ≦ 1) sequentially stacked on the buffer layer;
Further comprising the Al y Ga 1-y N layer and the plurality of through-dislocations appearing on the upper surface so as to cover the individual Al y Ga 1-y N multi formed on layer locally GaN layer portion A nitride semiconductor device.
前記局所的GaN層部分の上面は酸化されていることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体デバイス。   The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein an upper surface of the local GaN layer portion is oxidized. 前記AlGa1−xN層と前記AlGa1−yN層とのヘテロ界面へ電気的に接続されたソース電極とドレイン電極を含み、これらのソース電極とドレイン電極との間のゲート領域内に形成されたゲート電極を含むことを特徴とする窒化物半導体デバイス。 A source electrode and a drain electrode electrically connected to a heterointerface between the Al x Ga 1-x N layer and the Al y Ga 1-y N layer, and a gate between the source electrode and the drain electrode A nitride semiconductor device comprising a gate electrode formed in a region. 前記ゲート電極は前記AlGa1−yN層に接して形成されていることを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体電子デバイス。 The nitride semiconductor electronic device according to claim 3, wherein the gate electrode is formed in contact with the Al y Ga 1-y N layer. 前記ゲート電極は付加的なGaN層を介して前記AlGa1−yN層上に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体電子デバイス。 The nitride semiconductor electronic device according to claim 3, wherein the gate electrode is formed on the Al y Ga 1-y N layer via an additional GaN layer. 前記ゲート電極は前記ソース電極へ電気的に接続されていることを特徴とする請求項3または4に記載の窒化物半導体デバイス。     The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the gate electrode is electrically connected to the source electrode. バッファ層上にAlGa1−xN層とAlGa1−yN層(0≦x<y≦1)およびGaN層を順次堆積し、
前記AlGa1−yN層内から延びる複数の貫通転位が前記GaN層の上表面に現れている複数の局所的領域を選択的に酸化することによって複数の局所的酸化膜を形成し、
前記複数の局所的酸化膜でマスクされていない領域において前記GaN層を選択的にエッチングで除去することを含むことを特徴とする窒化物半導体デバイスの製造方法。
An Al x Ga 1-x N layer, an Al y Ga 1-y N layer (0 ≦ x <y ≦ 1) and a GaN layer are sequentially deposited on the buffer layer,
Forming a plurality of local oxide films by selectively oxidizing a plurality of local regions in which a plurality of threading dislocations extending from within the Al y Ga 1-y N layer appear on the upper surface of the GaN layer;
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising selectively removing the GaN layer by etching in a region not masked by the plurality of local oxide films.
前記酸化は、過酸化水素水もしくは過酸化水素水を含む溶液中で行なわれるか、または自然酸化、熱酸化、もしくは酸素プラズマを利用して行なわれることを特徴とする請求項7に記載の製造方法。   The production according to claim 7, wherein the oxidation is performed in a hydrogen peroxide solution or a solution containing the hydrogen peroxide solution, or is performed using natural oxidation, thermal oxidation, or oxygen plasma. Method. 前記エッチングは、塩素系ガスまたはフッ素系ガスと酸素ガスとを含む混合ガスを用いた反応性イオンエッチングで行なわれることを特徴とする請求項7または8に記載の製造方法。   9. The manufacturing method according to claim 7, wherein the etching is performed by reactive ion etching using a chlorine-based gas or a mixed gas containing a fluorine-based gas and an oxygen gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015079800A (en) * 2013-10-15 2015-04-23 富士通株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of the same
CN110600536A (en) * 2019-09-20 2019-12-20 中国电子科技集团公司第十三研究所 Enhancement mode heterojunction field effect transistor

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